分布式光储微电网设计及应用研究

分布式光储微电网设计及应用研究

姬斌

关键词：分布式；光储微电网；设计；应用

1、前言

微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统，涵盖了用电计量、运行监视、能效管理、孤岛检测、继电保护、运行控制、优化调度等关键技术，目前已经有大量专家学者、科研机构针对这些关键技术开展了研究和示范应用。

2、分布式光储微电网的典型设计方案

2.1分布式光储微电网的组成

分布式光储微电网主要包括分布式光伏发电系统、电池储能系统以及相关的配电、能量管理系统（EMS）等。其中，有电网支撑时，光伏储能系统作为微电网内的主要供电微电源，负荷用电主要来自于光伏发电，储能系统则可以平滑光伏发电波动，提高微电源的电网接入友好性；电网停电时，光储微电网则启动应急备用供电功能，由储能变流器建立微网母线支撑，光伏发电系统可为微电网内的负荷提供持续的能量供应。

（1）光伏发电系统

光伏发电系统主要包括光伏组件和光伏逆变器。光伏组件是光伏系统的主要发电来源。光伏组件的种类有很多，如单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和多元化合物太阳电池等。光伏逆变器是实现交直流能量转换的核心部分。光伏逆变器主要有组串式逆变器和集中型逆变器，小型电力系统一般选用组串式逆变器。

（2）电池储能系统

电池储能系统主要包括储能电池、电池管理系统和储能变流器。储能电池作为能量存储的载体，既可实现能量搬移，也可实现功率补偿。其中，锂离子电池储能技术是一种大规模高效电化学储能新技术，相比于其他电池储能技术，锂离子电池具有如下优势：电压高、能量密度高、输出功率高，能量效率高；电池使用寿命长，自放电低、环保无污染等，因此大规模储能系统中得到越来越广泛的应用。电池管理系统可以对电池阵列组进行全方位的监控、管理、保护、报警等，最大化延长储能电池堆使用寿命。大型储能系统一般采用三层模块化结构，包括电池堆管理系统（BAMS）、电池簇管理系统（BCMS）、电池模块管理单元（BMU）等组件。

（3）能量管理系统（EMS）

EMS是整个光伏微网系统的控制器，其能量管理功能包括系统运行模式判断、功率调度及设备运行状态控制，具体而言就是根据电网状态判断系统处于独立运行还是并网运行，在独立运行时需要根据功率动态平衡原则完成光伏发电和储能系统的功率调度，根据系统状态及设备状态完成光伏并网逆变器的启停控制和双模式逆变器的组网控制；在并网运行时根据蓄电池的状态完成双模式逆变器的充电控制及并网逆变器的启停控制。

2.2设计原则

笔者设计的光伏混合微电网系统，应考虑如下几个关键问题：

①蓄电池（如铅酸电池）应具有较高的运行寿命。一般情况下，在100%放电深度下，铅酸电池的充放电循环次数为600～1000次，80%放电深度下为800～1200次。②微电网系统的设计本着简单、可靠，自动化程度高。微电网系统的各种电源及设备的运行控制应完全采用无人值守的设计运行，整个系统维护工作量少。③在保证系统安全、可靠的前提下，提供高品质的电能质量，保证当地居民的用电需求。

2.3典型运行状态

光储微电网主要分为以下4种运行状态。

（1）系统并网运行

系统并网运行时，PCS处于并网运行状态，EMS根据蓄电池的荷电状态判断PCS是否需要对蓄电池进行充电以及以何种方式充电；对于不需要接受功率调度的微网电站，光伏并网逆变器最大功率发电，对需要接受调度指令的微网电站，EMS将调度指令发送给光伏并网逆变器按照指令控制发电功率。

（2）并网向独立切换

在并网状态下如果EMS检测到电网失电或电网故障则控制并网开关断开，同时PCS自动切换到独立运行，以电压源形式启动组建系统电压；光伏并网逆变器因失电停机，EMS在PCS启动完成之后，控制并网逆变器重新启动，系统进入独立运行模式。

（3）系统独立运行

系统独立运行时，EMS的管理原则是通过电源和负荷的管理来维持微网功率的动态平衡，保证母线电压和频率的稳定。此时PCS电压源运行，输出三相交流电压组网，光伏并网逆变器并联运行。此时根据负荷大小与光伏发电等电源的发电功率大小EMS需要对电源和负荷进行管理。

这种情况下系统分为2种运行方式，一是负荷功率大于分布式电源的输出功率，此时各电源最大功率发电，PCS补充负荷剩余部分的功率需求，蓄电池释放电能，EMS实时监测蓄电池状态，当蓄电池放电到截止电压时，EMS应启动负荷管理。负荷管理需要根据实际情况对不同负荷进行分类，优先重要敏感负荷的供电，首先切除不重要负荷直到蓄电池停止放电；二是负荷消耗的功率小于电源输出的功率，此时PCS会给蓄电池充电，同样EMS实时检测蓄电池状态，当蓄电池电量充满后EMS限制电源的功率输出，对可以接受调度的光伏发电系统，根据负荷大小控制其输出，对不能接受调度的发电系统，EMS通过控制其开关机实现对发电功率的控制。对于由多组并网逆变器构成的系统，为降低光伏并网逆变器同时启动对母线电压的冲击，需要根据实际情况（光伏逆变器的控制性能、数量、功率等级等）对其进行分步控制。

（4）独立向并网切换

在独立运行状态下EMS检测到电网电压正常后，首先将PCS运行模式切换为并网运行，PCS自动调整输出电压与大电网的电压同步，然后EMS闭合并网开关，所有设备并网运行，系统进入并网运行模式。

2.4光储系统软件架构设计

光储微网系统软件分为运行控制软件和后台控制软件２个部分，其功能架构如图1所示。

图1光储微网系统软件功能架构图

从图1可以看出，运行控制层包含电池ＳＯＣ控制、ＡＧＣ控制、模式切换控制、ＰＱ控制以及各设备状态监控等功能；后台控制层包含外部调度接口、能量管理、运行参数监控以及光照、负荷预测功能。光储系统运行控制层通过采集设备层各设备的运行状态，响应后台控制层的调度

指令，控制设备进行模式切换。后台控制层主要提供外部调度接口、本地监控操作界面、重要参数预测等功能，运行控制层通过后台控制层获取以上参数，结合采集的设备层运行信息，综合仲裁计算，最终进行模式切换控制和能量管理。

3、光储系统的应用

青海省某自治州，地处４０００ｍ以上的高海拔地区，临近２个县共用１处水力发电设施，供电很不稳定。为提高该地区的生活水平，在县郊投资建设了１个ＭＷ级光储微网电站。以已有的水电为主电网，系统由微网能量管理系统统一协调控制。主电网有电时，系统工作在并网模式，光伏向站用电负荷和县城负荷供电，同时对蓄电池组进行充放电管理；主电网断电时，系统切换到孤岛模式，向站用负荷和县城负荷供电。该光储微网系统设计图如图2所示。

图2某自治州光储微网系统设计图

该光储微网系统以稳定供电为主要目的，并网运行时，响应调度系统的控制，同时完成对蓄电池组的充放电管理；孤岛运行时，储能系统建立电网，光伏逆变器并网运行，光伏发电控制由光储系统微网能量管理系统根据负载和电池组ＳＯＣ状态控制，可实现负载稳定供电、蓄电池的充放电管理及电池均衡。电网状态发生变化时，系统可以完成并网、孤岛的双向切换功能。

4、结语

在“能源互联网”背景下，微电网将取代现有的配电网，成为能源网络构架中非常重要的环节，是大量负荷，分布式能源的接入载体，是实现分散能源利用、接入、消费、生产、管理和调节的综合性网络。

参考文献：

［1］黄伟，孙昶辉，吴子平，等.含分布式发电系统的微网技术研究综述［J］．电网技术，2009，33(9):14－18．、

［2］王成山，王守相.智能微网在分布式能源接入中的作用与挑战［J］．中国科学院院刊，2016(2):232－240．